室溫超導“再現”《三體》成真？

彭丹妮

當地時間3月7日，在美國拉斯維加斯舉行的美國物理學會年度會議有著不一般的熱鬧場面。原本只能容納不到100人的小會場，自一個有關室溫超導的報告開始后不久，一度被擠得水泄不通。

來自美國羅徹斯特大學的助理教授蘭加·迪亞斯等宣稱，該團隊發(fā)現了一種由氫、氮和一種名為镥的稀土元素混合制成的材料，可以在21℃和大約1GPa（約等于一萬個標準大氣壓）的壓力下實現室溫超導電性。

這一會議后，連續(xù)幾天，上海超導公司總工程師朱佳敏接到了非常多電話，很多人來問他，怎么看待這一結果。他有些驚訝，為何這件事如此出圈？

超導體的一個特性是“零電阻”，亦即電流通過時，沒有因為受到任何阻力而導致損失，因此，這是一種革命性的材料。多年來，尋找一種無需極低溫或者極高壓就可以使用的超導體是超導界的一大夢想，很多業(yè)內人士相信，這將開啟新的工業(yè)革命。

超導材料因其絕對零電阻和完美抗磁特性等性質，幾乎在所有電和磁相關的領域都有巨大應用價值。比如，現階段使用的特高壓輸電技術，通過提高輸電線電壓，盡可能降低能量損耗。

不過，業(yè)內人士們對此要冷靜得多。這已是迪亞斯等人第二次宣布實現室溫超導，去年，其上一次的發(fā)現因數據原因被《自然》雜志撤稿。因此，這一最新成果的真實性有待確認。

室溫超導為何具有革命性？

3月8日，迪亞斯等人的研究在線發(fā)布于《自然》雜志。根據論文描述，他們在金剛石之間放置了一個直徑為100微米的镥箔，然后泵入一種含有99％氫氣和1％氮氣的混合氣體，并將壓力加至2GPa。樣品在65℃的烘箱中加熱，24小時后釋放壓力，得到了一種在正常條件下呈藍色的材料。

他們發(fā)現，該材料在0.3GPa時會變成粉紅色，同時開始具有超導性；繼續(xù)加壓力到1GPa時，材料超導溫度最高在21℃；當樣品壓力達到3.2GPa時，材料呈鮮紅色，超導可能消失。

通常，電流穿過電線時會遇到阻力，一些能量會以熱量形式損失掉?？茖W家們發(fā)現，對金屬導體而言，當電流通過時，溫度越高電阻越大。自然而然，人們開始思考，如果溫度能達到絕對零度，是不是電流的電阻會變成零。

上世紀初，最后一個沒被液化的氣體——氦氣終于成功液化，可用于制冷。1911年，荷蘭科學家海克·昂內斯等人發(fā)現汞在4.2K、-269℃附近低溫下，電阻似乎神奇消失。K是“開爾文”的簡稱，是熱力學溫標或稱絕對溫標，每變化1K相當于變化1℃，但開爾文以絕對零度作為計算起點，即-273.15 ℃等于0 K。

一方面，超導材料因其絕對零電阻和完美抗磁特性等性質，幾乎在所有電和磁相關的領域都有巨大應用價值。比如，現階段使用的特高壓輸電技術，通過提高輸電線電壓，盡可能降低能量損耗。中科院物理研究所研究員羅會仟對記者指出，如果使用超導輸電，可以把目前高壓交流輸電技術中15％左右的損耗降低到1％以下。

另一方面，因為磁感應強度與電流強度正相關，因此，如果利用電流量很大的超導體做線材，能獲得強大的外部磁場。比如，醫(yī)院用于核磁共振成像的醫(yī)療設備，采用了超導體以獲得強大磁性。高速磁懸浮列車也需要借助超導材料。

過去100多年里，各類超導材料不斷被發(fā)現，目前已知的超導材料有成千上萬種。不過，朱佳敏說，真正實用化的超導材料非常少，主要分為鈮系合金為主的低溫超導和釔鋇銅氧為主的高溫超導材料。

室溫超導為何仍被寄予厚望？這是因為盡管超導材料展現了其在能源、交通等領域的廣闊前景，但低溫卻限制了它的應用。

所謂高溫超導材料，并不是人們想象的比如100℃或者200℃。如果在40K以下，約-233.15℃下才能達到超導狀態(tài)，且一般要在液氦制冷系統(tǒng)下工作的超導體，叫作低溫超導；相比之下，如果能夠在40 K以上出現超導電性，就被稱為高溫超導，許多高溫超導體甚至能超過液氮沸點（約-196 ℃）。

超導材料的眾多應用前景中，最被寄予厚望的是推動可控核聚變反應堆的發(fā)展。2007年，中、印、日、韓、美、俄及歐盟7個成員發(fā)表了一份聯合宣言，決定在法國建造全世界最大的國際熱核聚變實驗堆（ITER），從工程角度探討建造商業(yè)核聚變發(fā)電站的可行性。

星環(huán)聚能成立于2021年，是一家核聚變領域的初創(chuàng)公司。創(chuàng)始人陳銳告訴記者，這一大裝置使用的還是最早的低溫超導體材料，必須用到昂貴、大型的液氦冷卻系統(tǒng)，ITER這一大型工程投入上千億元人民幣。ITER項目2008年開建，計劃2025年建成。近幾年，隨著高溫超導等新材料的工業(yè)化生產變得成熟，使得相對較小體積、幾億元成本建造核聚變探索裝置變得可行，極大加速了這一領域的商業(yè)化。

星環(huán)聚能目前使用的超導帶材達到超導的臨界條件是77K，但在可控核聚變環(huán)境中使用時，實際溫區(qū)是20K，大約是-250℃。雖然已屬于高溫超導體，但陳銳說，這依然是很低的溫度，需要一套昂貴的低溫系統(tǒng)。如果未來真能夠實現室溫超導，顯然會極大降低可控聚變的研發(fā)及設計成本，也會縮短完成這一事項的時間。

在物理學界，一般室溫嚴格定義為300K，約相當于27 ℃。盡管迪亞斯等人的研究還不是嚴格意義上的“室溫”，但這種超導體的臨界溫度，已經是在如此低的壓力下的最高紀錄。此前使用類似材料所進行的實驗，所需的壓力在數百萬個大氣壓，迪亞斯團隊報道的新材料所需壓力要低得多。

“結合我們在碳硫氫化物中發(fā)現的室溫超導性表明，三種元素或更多元素的體系可能是實現更高轉變溫度和在室溫條件下實現超導性的關鍵?！毖葜v中，迪亞斯表示，有了這些材料，接近環(huán)境壓強超導和技術應用的黎明已經到來。

這次是真的嗎？

這些年來，超導物理學界一直在嘗試突破超導體的臨界溫度。但是，當問及業(yè)內人士，看到這一進展第一反應是什么時，他們并不是感慨成果本身，而是懷疑，“憑什么又是他們？”

尋找室溫超導非常困難，迪亞斯團隊卻一次次帶來“驚喜”的成果，而且成果一次比一次更轟動。

1986年，整個凝聚態(tài)物理領域發(fā)生了一次“大地震”，一種鋇鑭銅氧化物在30 K，約-243℃左右的臨界溫度中被發(fā)現了超導現象，兩名瑞士科學家因此獲得了1987年諾貝爾物理學獎。之后，多國科學家們通過大量實驗研究，對銅氧化物的超導電性有了更多認識，也掀起全球高溫超導研究的熱潮。1986—1987年的短短一年多里，臨界超導溫度提高近100K。

但是，科學家們至今仍沒有找到一種真正的室溫超導體。目前研究發(fā)現，提高超導體臨界溫度，最好的路徑就是從高壓著手?！霸诟邏合聦ふ乙粋€材料更高的臨界溫度，是一個比較成熟的研究體系了。每次去參加超導會議都有相關的報告?！敝旒衙粽f。

解釋超導性的標準理論早就預測，如果氫元素能被足夠強力擠壓形成金屬氫，這種物質就極可能是室溫超導體，但前提是要在百萬級大氣壓的極端高壓下合成。

羅會仟告訴記者，如此高的壓力，需要借助世界上最硬的物質——金剛石來實現，一對磨平端面的金剛石形成一種高壓裝置后，對氫加壓。不過，氫本身十分活潑、易燃易爆，而且在高壓下，滲入氫元素，會導致金剛石硬度突然降低而碎裂，發(fā)生“氫脆”現象，種種原因使得這一路徑十分艱難。

“（金屬氫）大家前前后后找了80年，都一直沒有成功?！绷_會仟說。就在這個時候，2017年，當時剛剛從哈佛大學博士后畢業(yè)的迪亞斯與他的導師等人宣布在495GPa下找到了金屬氫，論文發(fā)表在《科學》期刊。學界還未等到他們檢測這一材料的超導性，該團隊卻表示實驗過程中不小心破壞了樣品，金屬氫是否真的找到了、能否實現室溫超導成了一個謎團。

另一邊，物理學家們開始嘗試另一種思路，從二元氫化物著手，試圖通過元素間的化學鍵來產生足夠大的化學壓力，以接近金屬氫的特性。2015年，德國馬普研究所兩位科學家報告了第一個超導氫化物：氫和硫的混合物，在巨大壓力及203K，約-70℃的臨界溫度下，電阻急劇下降。

這帶動了一波新的超導研究熱，人們開始摸索各種元素與氫的可能組合。羅會仟說，近年來，隨著結構搜索軟件等計算機輔助工具的出現，每年學界大約都會報道發(fā)現了高壓下的超導體，有的臨界超導溫度能達到200K以上。但是高壓使得實驗并不好做，因此數據質量普遍都比較差。

就在這一當口，2020年10月，《自然》以封面論文的形式，高調宣布人類首次實現“室溫超導”的突破性研究成果。論文通訊作者正是蘭加·迪亞斯，他當時已在美國羅徹斯特大學任助理教授。論文標題為《碳硫氫化物的室溫超導性》。論文稱，他們創(chuàng)造出一種碳硫氫化合物固體材料，這種材料在溫度約15℃和約267GPa的壓強下表現出超導性。這是超導材料的臨界溫度首次突破到0℃以上。

2020年末，《科學》雜志評選了“年度十大科學突破”， 迪亞斯的“室溫超導”研究入選。該期刊當時寫道：“科學家們花了幾十年的時間尋找在室溫下無電阻導電材料，今年他們發(fā)現了首個實現室溫超導的材料，這是在接近地球中心壓力的條件下，產生的一種含氫和碳的化合物?！?/p>

然而，過于“漂亮”的論文數據引發(fā)了業(yè)內諸多質疑。而且，本身在二元氫化物中尋找室溫超導就已很難了，迪亞斯團隊報道的還是一個三元氫化物。

此后兩年，諸多研究團隊試圖重復迪亞斯團隊的研究結果，無一成功；一些科學家一直在以實驗結果、調查等形式質疑這一研究成果。2022年9月，《自然》雜志不顧作者們的反對，撤回這一文章。

如今，迪亞斯團隊就像變魔術般，又帶來了指標看上去更好的“室溫超導”材料。因此，在談論其科學價值和社會意義之前，先要確定這個新材料的可復制性。

一些科學家已經指出了一些疑點。比如，中國科學院物理研究所研究員孫力玲在接受媒體采訪時談到，迪亞斯報告中給出的樣品照片的顏色為藍色，與通?？吹降某瑢w的黑色和褐色等完全不同。

羅會仟說，在這篇論文中，團隊給出了更加全面的數據、大致的化學組分和制備過程等信息，而且所需的壓力也比上一次小很多，其他同行應該能很快地對這一研究進行驗證。

對于蘭加·迪亞斯團隊的最新研究，朱佳敏說，即便最后驗證為真，它離應用依然非常遙遠。雖然“室溫超導”的標題讓這個成果占據媒體頭條，然而，該超導材料所需的1GPa壓力仍然是一個很大的數值，大約是地球目前已知最深海溝——馬里亞納海溝最深處壓力的10倍。

實際上，比起克服極低溫，在工程上，解決高壓是更困難的事情。朱佳敏說，一種超導材料需要做成柔性的、連續(xù)的電線才能投入使用，如果它需要極大的壓力，很難想象接有電線的所有地方都裝上一種“高壓鍋”一樣的裝置，而且安全性也不高。陳銳也提到，比如，在核聚變裝置中，如果要對每個磁體的每個部分都施加1萬個大氣壓，基本不太可能做到。

此外，镥是一種銀白色金屬，是稀土元素中最稀有的一種。一個很現實的挑戰(zhàn)是，這種金屬在地球上儲藏量是非常有限的。目前，镥元素僅在極少數材料領域被應用，暫時還沒有短缺問題，一旦需要大規(guī)模用于合成室溫超導材料，其自然儲量將會是最難突破的瓶頸。

◎ 來源|中國新聞周刊